Блог

HORSCH Maschinen GmbH | Блог

Мікробіологічна активність як засіб підвищення вмісту органічних речовин у ґрунті

Минулими роками помітно збільшилась зацікавленість у темі фіксації атмосферного вуглецю [C], і є багато наукових робіт, присвячених вивченню динаміки і видовим особливостям органічної речовини в ґрунті. Окрім однозначно позитивного аспекту фіксації вуглецю з точки зору збереження клімату, це має низку переваг для розвитку екосистем і землеробства, які можуть сприяти зростанню виробництва і рентабельності — абсолютно виграшна ситуація для всіх сторін. Існує багато нових ідей і моделей, які, можливо, ставлять під сумнів наявні уявлення про органіку. Яскравий тому приклад: розпад і стабілізація складних речовин порівняно з простими елементами рослинних решток. Тут йдеться про лігнін і целюлозу, які набагато довше і складніше розкладаються, ніж кореневі виділення, цукри або амінокислоти.

Повільне розкладання — попередня модель

Агрономічна наука минулого розглядала рослинні рештки, перш за все, з елементарної точки зору, тобто, як складові єдиного організму. Панувала думка, що ці складні з'єднання вуглецю розкладаються дуже повільно, проходячи ланцюг хімічних перетворень1–3. Відповідним був і висновок: що довше триває розкладання, то довше вуглець знаходиться в ґрунті і то більше переваг для функціональності ґрунту. Як наслідок, на практиці більше уваги приділяли роботі зі стернею і консервуванню рослинних решток, ніж, наприклад, використання бобових сидератів. Звичайно, це залежить і від співвідношення C:N у цих рослинних рештках (у гомогенних монокультур воно високе, у зелених бобових, навпаки, низьке). Різниця в значенні C:N означає, що залишки стебел і коренів бобових (особливо зелених) розкладаються значно швидше.
Цим і пояснюється поширений тезис, що переваги таких залишків для землеробства варто розглядати винятково у короткостроковій перспективі. Таку ж оцінку отримали й кореневі виділення, що їх класифікували як слабкі (такі, що швидко розкладаються) з'єднання, які розкладаються з утворенням вуглекислого газу [CO2]1. Проте, сучасні дослідження дають все більше даних про те, що органічна частина ґрунту із цінних субстратів (рослинні рештки і бульбочкові бактерії бобових) насправді значно дієвіша і довговічніша, ніж органіка з рослинних часток, яка повільно і важко розкладається. У жодному разі я не хочу цим сказати, що обробка стерні є другорядною, а то й взагалі непотрібною справою... Навпаки, це, безсумнівно, важлива стратегія, особливо в регіонах із посушливим кліматом, де волога є найбільш лімітованим фактором.

Проблемою лігніновмісних рослинних решток є високе співвідношення C:N, внаслідок чого у цьому середовищі мікроорганізмам значно складніше асимілювати вуглець. Потрібно значно більше мікробіологічної енергії, щоб розкласти ці залишки. Мікробіологи навіть виділяють свого роду попередній етап цього складного процесу, в процесі якого мікроорганізми виділяють специфічні ензими для первісного обробітку субстрату.

Потім мікроорганізми абсорбують попередньо оброблений матеріал для подальшого розкладання. Проте це означає, що для цього мікроорганізми потребують значно більше енергії (вироблення ензимів) для обміну речовин, що негативно позначається на їхньому розмноженні і призводить до зменшення мікробіологічної біомаси4.

Ефективна асиміляція - нова модель

Що було б, якби на допомогу мікроорганізмам додати в субстрат більш придатний до біодеструкції матеріал з низьким співвідношенням C:N? Тоді мікроорганізми не потребуватимуть додаткової енергії для обмінних процесів і синтезу ензимів. Відповідно, ця енергія повною мірою могла б бути використана для репродукції і нарощування біомаси. Ця ідея останнім часом отримує все більшого визнання: численні дослідження в різних країнах достовірно підтверджують збільшення мікробіологічної біомаси шляхом посилення абсорбції з'єднань вуглецю із нестійких з'єднань з низьким вмістом C:N4,5. У зв'язку з цим, важливим є пошук найефективнішого шляху розкладання біомаси. Слід ураховувати, що понад 50% органічної біомаси в ґрунті є повністю відмерлою (некромаса) 6–8. Ще зовсім недавно було прийнято вважати, що основну частину органічної речовини в ґрунті складали пожнивні рештки на різних стадіях біодеструкції. Ті джерела вуглецю, які через їхню структурну складність не піддаються мікробіологічній біодеструкції, називають партикулярною органічною речовиною. Відповідно, органічна речовина ґрунту складається з кількох складових: продуктів розпаду рослинних решток і процесів життєдіяльності мікроорганізмів10. Тому дуже важливо, щоб ґрунтова біота мала достатньо харчування у найбільш ефективній для засвоєння формі11. Для землеробства майбутнього це може означати лише наступне: навмисне створювати умови для збільшення мікробіологічно активної біомаси і накопичення некромаси, щоб зберігати і відновлювати родючість ґрунтів, здоров'я екосистеми і клімат7.

Більше, ніж накопичення вуглецю: стабілізація

Попри те, що проблема накопичення органічної речовини в ґрунті є дуже важливою і їй приділяють багато уваги, хотілося б розглянути її в дещо критичному аспекті. Накопичення, саме собою без стабілізації, не має практичного сенсу. Нам потрібен вуглець там, де він необхідний для землеробства — у ґрунті! Якщо ж ми не в змозі його там утримати, перетворивши у стабільну довговічну форму, він одразу ж поступає в круговорот речовин у природі, бере участь в процесах дихання тощо... Але ж як нам тоді зв'язати вуглець в стабільні форми? Існують важливі хімічні і фізичні процеси, які можуть стабілізувати вуглець в різних органічних ґрунтових субстратах12. Хімічна стабілізація спостерігається там, де з'єднання вуглецю перебувають на мінеральній поверхні і вступають з ними в реакції заміщення. Все більше доказів того, що саме мікробіологічна некромаса й агрономічно цінні рослинні рештки (з низьким співвідношенням C:N) у сукупності й тісному взаємозв'язку є довговічною складовою органічної речовини в ґрунті9,13. Цей період може складати від 10 до 1000 років14.

З іншого боку, фізичні процеси стабілізації вуглецю вивчені значно більше: вони протікають в процесі утворення мікро- та макроз'єднань. Хоча хімічні і фізичні властивості ґрунту також впливають на ці процеси, синтез ґрунтових з'єднань обумовлений, насамперед, інтенсивністю біологічних процесів у ґрунті. Це складний взаємозв'язок коренів рослин, їх кореневих виділень, мікроорганізмів, продуктів мікробіологічного обміну речовин і життєдіяльності макрофауни15.
Ці процеси у своїй сукупності призводять до утворення ґрунтових часток і з'єднань різної форми і розмірів, що, своєю чергою, визначає пористість ґрунту і, як наслідок, його водно-фізичні властивості.
У цих біологічних обмінних реакціях мікориза відіграє особливо важливу роль внаслідок всеохоплюючої мережі грибів і синтезу гломаліну — дуже стійкого мікробіологічного клею 17.
У ґрунтових з'єднаннях можливо стабілізувати будь-яке органічне з'єднання18 — особливо важливим є цей механізм для стабілізації партикулярної органічної речовини, яка не має стійких зв'язків з поверхнею мінералів. У ґрунтових з'єднаннях, навпаки, вуглець накопичується внаслідок фізичних процесів, до того ж він там захищений від взаємодії з киснем.
Та ці з'єднання також не вічні. Вони мають обмежений строк існування і вони постійно змінюються — то за формою, то за розміром, то під дією природних чинників, внаслідок антропогенного впливу, обробітку тощо. Тому партикулярна органічна речовина не на стільки довговічна як мінеральна. Круговорот партикулярної органічної речовини є значно швидшим, а час її існування коротший:  1 – 50 років14.

Якісний і супутній субстрат

Як було згадано вище, характер рослинних решток визначає якість і строк життя органічної речовини в ґрунті. Рослинні рештки низької якості (з високим значенням C:N) важко піддаються розкладанню мікроорганізмами й утворюють в основному партикулярну органічну речовину, яка стабілізується, переважно, ґрунтовими з'єднаннями. Відповідно, під час зміни з'єднань (наприклад, за механічного обробітку ґрунту) вуглець вступає в реакцію з киснем й у вигляді вуглекислого газу вивітрюється з ґрунту12.
Кореневі і наземні залишки рослин високої якості (з низьким C:N), навпаки, швидко розкладаються ґрунтовими мікроорганізмами. Після деструкції з'єднання вуглецю перетворюються на довговічні органічні частки, особливо, якщо мікробіологічна некромаса закріплюється на мінеральній поверхні19.
Тут, звичайно, існує взаємозв'язок між типом ґрунту і його здатністю накопичувати органічну речовину. Ґрунти з високим умістом глини, з огляду на більшу площу мінеральної поверхні, мають набагато вищу здатність накопичувати вуглець, ніж піщані і супіщані ґрунти. В останніх, як правило, спостерігається переважання партикулярної органічної речовини14.
Та було б великою помилкою недооцінювати його значення — це дуже цінний субстрат, нехай і з більш коротким строком служби. За правильної агротехніки він також дасть віддачу. Саме на легких ґрунтах є затребуваним мінімальний обробіток ґрунту, тому що будь-яке механічне втручання в ґрунт пов'язане з порушенням ґрунтових з'єднань. Випливає практичний висновок: на легких ґрунтах і в посушливих регіонах оптимально вкривати ґрунт шаром мульчі, тоді як у зоні з помірнім кліматом і достатнім запасом вологи перевагою буде «зелена» ковдра із живих рослин.

Висновок

Непорушена стерня, як і раніше, є дієвим методом набуття здоров'я ґрунту. Ґрунтозахисні й вологозберігальні аспекти No-Till не можна недооцінювати. Та існує все більше доказів того, що рослинні рештки бобових культур залишають у ґрунті більше ефективної мікробіологічної біо- та некромаси. У зв'язку з цим, хочеться побажати всім агротехнологам взяти до уваги ці методи. Також слід пам'ятати, що не існує накопичення органічної речовини без її стабілізації. Тому хімічна і фізична стабілізація некромаси і рослинних субстратів є дуже важливою. Якщо ґрунтовий покрив порушують якомога менше, це додатково сприяє позитивному впливу кореневого взаємообміну і стабілізації органічної речовини.

 

Література

  1. Leveraging a New Understanding of how Belowground Food Webs Stabilize Soil Organic Matter to Promote Ecological Intensification of Agriculture. In: Soil Carbon Storage. (2018). doi:10.1016/b978-0-12-812766-7.00004-4
  2. Soil organic matter turnover is governed by accessibility not recalcitrance. (2012). doi:10.1111/j.1365-2486.2012.02665.x
  3. How relevant is recalcitrance for the stabilization of organic matter in soils? (2008). doi:10.1002/jpln.200700049
  4. Managing Agroecosystems for Soil Microbial Carbon Use Efficiency: Ecological Unknowns, Potential Outcomes, and a Path Forward. (2019). doi:10.3389/FMICB.2019.01146
  5. Evidence for the primacy of living root inputs, not root or shoot litter, in forming soil organic carbon. (2019). doi:10.1111/nph.15361
  6. SOM genesis: Microbial biomass as a significant source. (2012). doi:10.1007/s10533-011-9658-z
  7. Quantitative assessment of microbial necromass contribution to soil organic matter. (2019). doi:10.1111/gcb.14781
  8. Divergent accumulation of microbial necromass and plant lignin components in grassland soils. (2018). doi:10.1038/s41467-018-05891-1
  9. Conceptualizing soil organic matter into particulate and mineral-associated forms to address global change in the 21st century. (2019). doi:10.1111/gcb.14859
  10. Microbial and plant-derived compounds both contribute to persistent soil organic carbon in temperate soils. (2018). doi:10.1007/s10533-018-0475-5
  11. The importance of anabolism in microbial control over soil carbon storage. (2017). doi:10.1038/nmicrobiol.2017.105<
  12. Mechanisms of carbon sequestration in soil aggregates. (2004). doi:10.1080/07352680490886842
  13. Soil organic matter is stabilized by organo-mineral associations through two key processes: The role of the carbon to nitrogen ratio. (2020). doi:10.1016/j.geoderma.2019.113974
  14. Soil carbon storage informed by particulate and mineral-associated organic matter. (2019). doi:10.1038/s41561-019-0484-6
  15. Soil Aggregate Stability: A Review. (1999). doi:10.1300/J064v14n02_08
  16. Soil structure as an indicator of soil functions: A review.(2018). doi:10.1016/j.geoderma.2017.11.009
  17. Soil aggregation and carbon sequestration are tightly correlated with the abundance of arbuscular mycorrhizal fungi: Results from long-term field experiments. (2009). doi:10.1111/j.1461-0248.2009.01303.x
  18. Sub-micron level investigation reveals the inaccessibility of stabilized carbon in soil microaggregates. (2018). doi:10.1038/s41598-018-34981-9
  19. Nitrogen-rich microbial products provide new organo-mineral associations for the stabilization of soil organic matter. (2018). doi:10.1111/gcb.14009
Назад